【蓝桥杯单片机进阶强化-01】IIC总线接口技术基础

【1】IIC总线概述

      IIC总线全称：Inter-Integrated Circuit，是由飞利浦公司开发出来的一种串行总线协议，它是一种多主机的总线，当发生主机竞争时，有总线仲裁机制。

      IIC总线只有2根信号线，一根是数据线SDA，一根是时钟线SCL。SDA和SCL均为双向信号线，通过上拉电阻接正电源。当总线空闲时，两根线都是高电平。连接到总线上的任一器件，输出低电平，都将使总线的信号变低。
      连接总线的器件输出级必须是集电极或漏极开路，以形成线“与”功能。
      每个具有IIC接口的设备都有一个唯一的地址，也叫做设备地址。

【2】数据位的有效性定义

      IIC总线在进行数据传送时，时钟信号SCL为高电平期间，数据线SDA上的数据必须保持稳定。只有在时钟信号为低电平期间，数据线上的数据才允许变化。

【3】IIC总线数据传输规范

      在数据的传输过程中，必须确认数据传送的开始和结束。在IIC总线规范中，规定了起始信号和停止信号。

      起始信号：当时钟线SCL为高电平时，数据线SDA由高变低。
      停止信号：当时钟线SCL为高电平时，数据线SDA由低变高。
      在起始信号以后，IIC总线就被认为是处于忙状态，直到停止信号以后的几个时钟周期，IIC总线才被认为重新处于空闲状态。

      在起始信号之后，必须是器件的控制字节，也即是设备地址，其中高4位是器件的类型识别符（EEPROM的识别符为1010），接着3位是片选信号，最后1位是读写控制位，读操作为1，写操作为0。

      对于EEPROM器件来说，如果片选信号为000，则：
      读操作的设备地址为：0xA1。
      写操作的设备地址为：0xA0。

      IIC总线每次传送的数据字节不限，每一个字节必须是8位。数据传送时，必须先送最高位(MSB)，每个数据字节后面都有一个确认位，也就是应答(ACK)。

      IIC总线协议规定，每传送一个字节数据后，都要有一个应答信号，以确定数据传送是否被对方收到。应答信号由接收方在数据开始后的第9个时钟周期发送，在SCL为高电平期间，接收方将SDA拉为低电平产生应答，用来结束一个字节的传输。也就是说，一帧完整的数据共有9位。
      注意：当主机接收数据（也就是在读数据状态）时，它收到最后一个字节后，必须向从机发出一个结束传送的信号。这个信号是通过对从机的“非应答信号”来实现的，在SCL为高电平期间，SDA为高电平，即从机释放SDA线，允许主机产生一个停止信号。

【4】IIC总线数据帧的传输方式

      在总线的一次数据传送中，可以有以下几种组合方式：
      ●主机向从机发送数据，数据传送方向在整个传送过程中不变：

      

      ●主机在第一个字节后，立即从从机读数据。

      

       ●在读数据的过程中，一定要注意，当读完最后一个字节数据的时候，主机不能产生“应答”信号，而应该产生一个“非应答”信号。在传送过程中，当需要改变传送方向时，起始信号和从机地址都被重复产生一次，但两次读写方向位正好反相。

      

       注：阴影部分表示数据从主机向从机传送，无阴影部分表示数据由从机向主机传送。

【5】IIC总线驱动程序设计

     在没有硬件IIC外设的微处理器中，需要根据总线时序设计IIC接口的驱动程序。包括：起始信号、停止信号、产生应答、等待应答、发送数据和接收数据6个函数。下面以51单片机为例，阐述IIC总线驱动程序的设计。

延时函数

void Delay_IIC(unsigned char time)
{
	while(time--);
}

起始信号

void IIC_Start(void)
{
	SDA = 1;
	SCL = 1;
	Delay_IIC(5);
	SDA = 0;        //在SCL高电平期间，SDA由高变低
	Delay_IIC(5);
	SCL = 0;	
}

停止信号

void IIC_Stop(void)
{
	SDA = 0;
	SCL = 1;
	Delay_IIC(5);
	SDA = 1;	//在SCL高电平期间，SDA由高变低
	Delay_IIC(5);
}

产生应答

void IIC_Ack(unsigned char ackbit)
{
	if(ackbit) 	
		SDA = 0;	//产生应答信号
	else 
		SDA = 1;	//产生非应答信号
	Delay_IIC(5);
	SCL = 1;
	Delay_IIC(5);	        //第9个时钟周期
        SCL = 0;
	SDA = 1; 		//释放SDA线
	Delay_IIC(5);
}

等待应答

bit IIC_WaitAck(void)
{
	SDA = 1;
	Delay_IIC(5);
	SCL = 1;
	Delay_IIC(5);	

	if(SDA)    		//在SCL高电平期间，SDA为高电平，从机非应答。
	{   
		SCL = 0;
		IIC_Stop();
		return 0;
	}
	else 			//在SCL高电平期间，SDA为低电平，从机有应答。
	{ 
		SCL = 0;
		return 1;
	}	
}

发送数据

void IIC_SendByte(unsigned char byt)
{
	unsigned char i;
	for(i=0;i<8;i++)		//循环发送8位数据
	{   
		if(byt & 0x80) 		//数据位是高电平
		{	
			SDA = 1;
		}
		else 			//数据位是低电平
		{
			SDA = 0;
		}

		Delay_IIC(5);
		SCL = 1;		//SCL高电平期间，SDA的数据要保持稳定
		byt <<= 1;		//发送的数据左移，准备发送下一位
		Delay_IIC(5);		//等待SDA的数据被读取
		SCL = 0;
	}
}

接收数据

unsigned char IIC_RecByte(void)
{
	unsigned char da;
	unsigned char i;
	for(i=0;i<8;i++)
	{   
		SCL = 1;
		Delay_IIC(5);		//在SCL高电平期间，读取SDA的数据
		da <<= 1;
		if(SDA) 
			da |= 0x01;
		SCL = 0;
		Delay_IIC(5);
	}
	return da;
}

【6】IIC总线驱动程序的应用

    一般情况下，所提供的IIC总线底层驱动代码有“ **.c ”和“ **.h ”两个文件，你需要懂得它们，至少需要了解“ **.h” 头文件，才能正确应用。虽然不再需要编写IIC总线的底层驱动代码，但是对于具体设备的操作还需要结合数据手册来进一步实现。关于IIC总线设备的具体应用在《PCF8591的基本原理与AD转换应用》和《24C02存储器的基本原理与应用》两个笔记中有详细的阐述，欢迎参阅。